磁弹性传感器芯片用于凝血酶原时间检测的初步研究*

王刚林, 陈　曦, 廖彦剑

(1.重庆医疗器械质量检验中心，重庆 400015；2.重庆大学 生物工程学院，重庆 400044)



磁弹性传感器芯片用于凝血酶原时间检测的初步研究*

王刚林1, 陈曦2, 廖彦剑2

(1.重庆医疗器械质量检验中心，重庆 400015；2.重庆大学 生物工程学院，重庆 400044)

设计了一种集成流路的磁弹性传感器芯片，结合模块化设计的磁弹性传感器检测电路构成了一个初步的实验平台，针对在医学和临床实践中都有很重要意义的凝血系统功能的检查，以凝血酶原时间(PT)为例，利用磁弹性传感器芯片进行凝血酶原反应的过程检测，可以得到凝血酶原时间参数。初步实验结果证明了设计的有效性，同时，这种方法可以方便推广到其他凝血因子的检测方面，是一种可小型化、便携式、芯片成本低廉的易于推广的解决方案，有很好的应用前景。

磁弹性传感器； 凝血酶原时间； 芯片

0　引　言

目前，凝血功能的检测多采用大型全自动的凝血分析仪，主要采用磁珠法或光密度比浊法[1，2]，检测凝血反应过程中当体系的粘度密度达到一定程度时造成在交变磁场中摆动的磁珠幅度低于某个阈值，或透过反应体系的光密度达到某个阈值的时间，将达到这个阈值的时间作为凝血时间。这些大型仪器技术成熟、自动化程度高、但体积庞大、价格昂贵，操作复杂，不适合中小型医疗单位推广。利用新的检测方法和传感器，进行检测系统的小型化的尝试也一直是近年研究者关注的热点，包括压电传感器和磁弹性传感器等[3～5]，这类新的传感器和检测系统通常具有灵敏度高、可实时检测、体积小、成本低廉等特点，特别是磁弹性传感器，这是一种无线无源的传感器，其敏感元件通常为无定形非晶薄膜合金带材，体积非常小，很容易和微流控技术结合构成方便的一次性使用的芯片设计，磁弹性传感器无线无源微型化的特性决定了它的广阔应用前景，如在密闭容器中的无损测定、活体分析和在线分析等应用中具有其它传感器所无法比拟的优势，近年来逐渐成为物理、化学、生物医学传感检测领域的研究热点[6～10]。同样，研究将磁弹性传感器芯片应用于凝血时间检测也将具有广阔的应用前景。

1　检测原理

对于非晶合金带材的磁弹性传感器，其基频共振频率为

(1)

式中L为合金带材的长度，E为合金带材的杨氏模量，ρ为合金带材的密度，ν为泊松比。铁基非晶合金表面负载质量变化后的共振频率偏移量Δf为

(2)

其检测质量灵敏度Sm为

(3)

这就是非晶合金带材的磁弹性传感器检测的原理[13]，考虑到传感器的基准频率f0通常在100kHz以上，传感器基础质量通常在10-6kg以下，其检测质量灵敏度可以轻易达到μg级别，并具有很高的检测精度和检测范围。

如果将铁基非晶合金磁弹性传感器置于液体中，那么其共振频率也会由于剪切力的损耗而减小。定义液体的密度为ρl，黏粘度为η。频率偏移量Δf为

(4)

磁弹性传感器共振频率的偏移量与周围液体的密度ρl及黏粘度η有关，当其它参数恒定时，周围环境液体密度的增大或黏粘度的增大，均会导致磁弹性传感器共振频率的偏移量增大[12]。这是其检测液体的密度ρl及黏粘度η的原理，同时也是利用磁弹性传感器检测凝血过程的原理。

2　芯片与检测系统设计

系统采用单线圈的阻抗法检测，通过分析磁弹性传感器共振测量的阻抗法的基本原理，设计了一种模块化参数检测电路，系统基本模块示意图如图1所示。

图1　系统基本硬件模块示意图

根据设计需求，系统硬件划分为MCU控制模块、通信模块、线圈模块、直流偏置模块、交流激励模块、响应信号检测模块和电源模块等。其中直流电流偏置模块为线圈提供一个直流偏置磁场，消除“倍频”效应的影响使传感器工作在线性区，模块由Microchip公司的DAC芯片MCP4911提供可编程直流电压，输出电压范围为0～5 V，由于负载线圈的直流电阻恒定，电路进行阻抗匹配后即可得到可控直流电流以产生偏置磁场。交流激励产生模块的目的是根据不同的应用对象产生一个频率和幅值均可程控调节的交流电流激励信号，选用ADI公司的DDS芯片AD9850产生频率可调的交流电压信号，稳定输出频率范围1 kHz～1 MHz，利用由TI公司的DAC7811与低偏置电压运放OPA277构成程控增益电路调节信号幅值，可实现最大增益范围为±40 dB，单位增益带宽高达300 kHz。幅值信号检测模块利用真有效值电路进行幅值提取，采用凌特公司的LTC1968实现功能并输出幅值对应的有效值信号，LTC1968输出不受输入信号幅值影响，小于500 kHz的输入信号误差仅为1 %，有效值信号输出后通过TI公司的A/D芯片ADS8326完成数据采集，之后通过SPI将数据传送至MCU进行处理。MCU为TI公司的MSP430F5529单片机，通过SPI总线完成对硬件功能模块的控制，并通过RS—232串口与上位PC机进行通信。MSP430F5529是TI推出的最新一代具有集成USB的超低功耗单片机，可以应用于能量收集、无线传感以及便携式仪器等多种场合，是最低工作功耗的单片机之一。

3　实验与讨论

3.1检测芯片制作

实验使用磁弹性传感器由铁基非晶合金带材国标1K101制成，购自北京安泰科技有限公司。带材经激光加工成20 mm×4 mm的长方形薄片，厚度为28 μm。为了去除材料残余应力，传感器使用乙醇超声清洗30 min后，使用真空干燥箱加热至200 ℃退火2 h，过程中保持真空环境10-3Torr。

检测芯片为T型，如图2所示，可插入检测线圈中，保证均匀磁场环境。芯片流路包括两个进样通道，一个排出通道，以及反应和废液腔室。通道宽度500 μm，深度500 μm，反应腔室尺寸为22 mm×5 mm，腔室深度500 μm，处理过的传感器即置于反应腔室中。芯片采用PMMA经激光加工制成，热压键合。

图2　传感器芯片图

检测系统整体装置如图3所示。

图3　检测系统

3.2实验过程

实验使用血样获取自一名27岁健康男性志愿者，采用静脉采血方式，使用1∶9枸橼酸钠真空采血管抗凝保存，经过3 000 r/min离心10 min后静止分层，取上层血浆作为实验样本血浆。凝血酶原时间(prothrombin time,PT)检测使用促凝剂购自武汉中太生物科技有限公司，试剂的主要成分为兔脑提取物，促凝溶液含有氯化钙可对抗凝血浆进行复凝。实验中抗凝血浆、促凝剂以及检测芯片均经过37 ℃预温。

实验时将检测芯片插入线圈中，使用微量输液泵进行加样操作，同时由两个进样孔分别按30 μL/s和60 μL/s的速度加入抗凝血浆和促凝剂。加样持续1 s，使血浆和促凝剂按1∶2比例混合并充满反应腔室，加样完成同时开始进行扫描检测记录数据。

3.3结果与讨论

对该血液样品进行了6次实验，实验结果具有较好的重复性，但由于样本量及实验次数较少，未进行统计分析。现仅取一次实验数据进行说明，其中一次实验得到扫频响应结果如图4(a)所示，图中共振点随凝血反应进程不断变化，针对其变化进行分析得到共振幅值—时间曲线如图4(b)所示，图中传感器共振响应幅值随凝血反应进行而减小，可以反映出血浆凝固过程中纤维蛋白不断生成，溶液粘度增大的凝血反映过程。根据PT检测原理，取结果曲线微分首次过零点为反应开始时刻，取绝对值最大点即反应速度最快处作为终止时刻。经计算可得PT检测时间结果为12.37 s，属于11～14 s正常参考范围，初步表明本文方法具有一定的可行性。

图4　凝血扫频检测3D结果图与共振幅值时间变化结果

4　结　论

本文设计了一种集成流路的磁弹性传感器芯片，结合模块化设计的磁弹性传感器检测电路构成了一个初步的实验平台，针对在医学和临床实践中都有很重要意义的凝血系统功能的检查，以PT为例，利用磁弹性传感器芯片进行凝血酶原反应的过程检测，可以得到凝血酶原时间参数。初步实验结果证明了设计的有效性，同时，这种方法可以方便推广到其他凝血因子的检测方面，并且，这是一种可小型化、便携式、芯片成本低廉的易于推广的解决方案，有很好的应用前景。

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廖彦剑，通讯作者，E—mail：azurelyj@163.com。

Preliminary study of magnetoelastic sensor chip for prothrombin time measurement*

WANG Gang-lin1, CHEN Xi2, LIAO Yan-jian2

(1.Quality Inspection Center of Medical Device，Chongqing 400015，China;2.College of Bioengineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

Design a magnetoelastic sensor chip with integrated flow path,and combining with modular designed detecting circuits,constitute a preliminary experimental platform.It has great potentials to be used for the functional examination of coagulation system,e.g.the prothrombin time(PT),which is of great significance in medicine and clinical practice.The PT parameter can be obtained by detecting the prothrombin reaction process using developed magnetoelastic sensor chip.Experimental results demonstrate the effectiveness of the design.Meanwhile, this method can be easily extended to measure other blood coagulation factors.Moreover,as a kind of small,portable,low-cost，easy to promote solution,it possess broad application foreground.

magnetoelastic sensor; prothrombin time(PT); chip

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0017—03

2016—06—02

重庆市重点产业共性关键技术创新专项项目(CSTC2015ZDCY—ZTZXX0002)

TP 212.3

A

1000—9787(2016)09—0017—03

王刚林(1975-)，男，重庆人，高级工程师，从事医疗仪器设计，医疗器械产品质量检验与标准化研究等工作。